酞菁鈷分子在Cd（0001）表面吸附和自組裝

謝正波 王亞利 王俊忠

摘要：利用低溫掃描隧道顯微鏡（LT-STM）研究了酞菁鈷（CoPc）分子在Cd（0001）襯底表面吸附和自組裝。在低覆蓋度下，單個CoPc分子由于較強的分子與襯底作用平坦靜止的吸附在Cd（0001）上，分子的葉瓣平行于襯底表面基矢方向。在高覆蓋度下，由于分子與襯底相互作用力變弱，CoPc分子的從“平躺”變成了“站立”。

關鍵詞：STM；酞菁鈷；Cd；自組裝；覆蓋度

在過去的幾十年里，過渡金屬酞菁（TMPcs）分子因其在光學和有機電子器件中的潛在應用價值而受到了極大的關注[1-4]。TMPc分子是具有四重對稱性的金屬-有機復合物，它是由圍繞中心金屬離子的大環和四個通過c-c鍵連接到大環的外部苯環共同組成的。由于其相對簡單和穩固的形狀而被認為是單分子磁體的理想原型，可以自組裝成有序的納米結。越來越多的技術與手段被用于研究分子自組裝過程，尤其是具有高空間分辨率的掃描隧道顯微鏡（STM）被廣泛應用于表面形貌和分子結構的研究。目前人們在各種不同的襯底表面上研究了TMPc分子的吸附和自組裝過程，包括Au [5]，Ag[6]，Cu [7]，Pb [8]，Bi [9]，NaCl [10]等。但是，對于TMPc分子的在不同的覆蓋度下的結構變化的報道仍然十分缺乏。本實驗主要研究了CoPc分子在Cd（0001）表面低溫吸附和自組裝過程，得到了不同覆蓋度下的CoPc 分子的STM圖像。

1 實驗部分

實驗在基底真空保持在約2.0×10-8pa的超高真空-低溫掃描隧道顯微（LT-STM）系統中進行。金屬Cd以0.15ML / min的速率從自制的Ta舟沉積在Si（111）-7×7表面上（把單層酞菁鈷薄膜的覆蓋度定義為 1 ML），形成非常光滑的Cd（0001）表面。CoPc分子以熱升華的方式沉積到Cd（0001）表面上。在沉積期間，Cd（0001）襯底表面保持在常溫。多晶鎢絲被用來用作STM針尖。在實驗之前，需要通過用電子束轟擊處理針尖，并且選擇恒流模式，并且選擇液氮溫度（78K）和下獲得STM圖像。

2 結果與討論

首先，在室溫條件下沉積少量的CoPc分子在Cd（0001）襯底表面。圖1b是在低覆蓋度下的幾個CoPc分子吸附在襯底的STM圖像。STM圖像顯示出CoPc分子是呈十字形的形狀，這和圖1a的CoPc結構模型圖完全一致。仔細觀察圖1b發現幾個CoPc分子靜止且平躺在襯底表面并且每個CoPc分子的某一個葉瓣的方向是沿著Cd（0001）襯底表面的，這是分子和襯底之間較大的作用力引起的。圖1c 是高分辨的單個CoPc分子的STM圖像。從STM圖中觀察發現單個CoPc分子中間有一個較亮的突出物，這是因為接近費米能級的Co2+的d軌道與針尖態的強烈耦合所導致的。

繼續增加CoPc分子的覆蓋度，圖1d、1e和1f分別是第一層、第二層和第三層CoPc薄膜的高覆蓋度下的STM圖像。如圖1c和1e所示，第二層CoPc薄膜類似于第一次分子薄膜，CoPc分子都是平躺吸附在襯底表面。仔細觀察發現第二層CoPc分子的中心比周圍的四個葉瓣亮，這是由于第一層分子和第二層分子耦合造成的。如圖1f所示，我們只能觀察到CoPc的兩個葉瓣，并且分子的兩個葉瓣并不是在同一的高度，這表明第三次薄膜里的分子都是斜站立在第二層CoPc薄膜上的。CoPc分子由平躺變成站立，這是因為第二層CoPc分子與第一層耦合導致分子與襯底作用力變得虛弱，分子之間作用力占主導地位使得第三層CoPc分子站立在第二層薄膜上。

3 結論

本文利用低溫超高真空掃描隧道顯微鏡（LT-STM），在液氮溫度條件下研究了CoPc分子在Cd（0001）襯底表面的吸附和自組裝。在低覆蓋度下，單個CoPc分子由于較強的分子與襯底作用平坦靜止的吸附在Cd（0001）上，分子的葉瓣平行于襯底表面基矢方向。在高覆蓋度下，由于分子與襯底相互作用力變弱，CoPc分子“平躺”變成了“站立”。

參考文獻：

[1]Atodiresei N，Brede J，Lazi P，et al. Design of the local spin polarization at the organic-ferromagnetic interface[J]. Physical Review Letters，2010，105（6）：066601.